自升式钻井平台强迫振动响应分析

王庆来，孙玉海，王 娜，王 波

(烟台中集来福士海洋工程有限公司 研发设计中心，山东 烟台264000)

钻井平台是一种复杂的弹性结构，在营运过程中总会受到主机、泥浆泵等激励的作用。这些激励的作用将引起船舶发生不同程度的振动甚至有害振动，过大的振动可导致结构产生疲劳破坏，影响工作人员的工作效率和身体健康，还会影响设备和仪表的正常使用。因此，在船舶设计阶段需要准确预测出结构振动烈度情况，并及时采取相应的减振措施，确保局部结构振动满足相关规范要求。本文涉及的自升式钻井平台振动的主要激励源为主机和泥浆泵。在营运过程中有升桩、定位、钻井、拖航等工况，本文主要对其常用的钻井工况进行分析。自升式钻井平台在钻井时处于站立状态，平台主船体通过锁紧装置与桩腿连接，平台主船体承受的环境载荷和重量载荷通过锁紧装置传递到桩腿上，桩腿下的桩靴插入海床之中一定深度以提供支撑。本文基于三维有限元方法，对自升式钻井平台进行振动响应分析。

1 仿真计算模型

1.1 有限元模型

有限元模型品质是决定振动计算准确与否的关键因素，根据计算要求的不同，对模型品质的要求也是有很大差异的［1］。本文有限元模型在ABAQUS软件中建立，主船体板(如甲板、舱壁、肋板、外板等)采用3节点或4节点板单元模拟;型材以及加强筋采用带有弯曲要素的梁单元模拟。考虑到悬臂梁可以在主船体上滑移而并非与主船体固定连接，悬臂梁滑移后其重心位置会发生变化，同时根据本文的研究目的，没有建立悬臂梁的三维有限元模型，分析中采用耦合质量点单元代替。相关研究表明，桩腿与主船体的相对位置即升船高度主要影响到平台的横向振动［2］，并且在正常作业状态下其横向自振频率较小，通常小于1 Hz，所以没有建出3个桩腿的有限元模型。

有限元模型尽量采用较均匀的网格形式，这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。本文网格按照纵向肋骨间距划分，以尽可能反映所有细节，并根据网格对计算结果的影响对局部结构进行适当网格细化。建立的有限元模型见图1。

图1 自升式钻井平台三维有限元模型

1.2 模型重量分布

振动响应分析不仅要考虑结构刚度，还要考虑船舶重量，两者对于振动计算结果的影响是并重的。研究表明货物和压载的分布状况对船体总振动固有频率的计算有相当大的影响。如果货物或压载靠近船体总振动振型的节点处，则该阶相应的固有频率升高;若其靠近振型的波腹处，则该阶相应的固有频率下降［3］。

为了让模型的重量分布尽可能与设计相吻合，严格按照平台重量、重心报告进行重量调整。首先通过施加结构质量点模拟主机、泥浆泵等大质量设备。对于甲板敷料、舾装件、轮机件等非结构重量，通过调整该区域密度分布的方法使之重量和实船基本一致;也可以采用重量平铺的方法来模拟非结构重量，将非结构重量平铺在该区域的强结构上。具体采用哪种方法可以灵活运用，基本原则是一要尽可能模拟重量的空间分布(重心分布);二是避免大质量区域集中，以免计算时出现重量突变造成结果失真，因为即使总重量和重心保持不变，重量分布不同还是对船体固有频率有较大的影响。本文采用重量平铺方法，并调整模型重心位置使之与实船的重心位置一致。

1.3 边界条件及主要激励载荷

平台主船体通过升降装置与桩腿连接，升降装置的刚度远远大于船体其他部件的刚度，其变形也远远小于其它部件，所以将升降装置定义为刚体部件，升降装置与主船体进行Tie连接。在升降装置的重心处定义刚体部件参考点，在其刚体参考点处施加固支约束模拟桩腿与主船体的连接。

准确的载荷施加对于振动计算结果起决定性作用。自升式钻井平台在钻井工况时主要激励力为主机和泥浆泵，其他激励与之相比较小，可以忽略不计。主机和泥浆泵激励参考类似项目的相关测试数据，如在主机基座上测得振动速度，以参考速度5×10-8m/s换算成速度级，得出主机的振动速度谱见表1。泥浆泵的激励力输入类似于主机，不再单独列出。由于测试所得的激振数据多为速度、加速度形式，可通过设备的质量求出等效的惯性力作为输入激励载荷。本次分析激振力输入设定为力的频率谱。

表1 主机基座振动速度谱(参考速度5×10-8 m/s)

1.4 阻尼

海洋平台阻尼可视为黏性阻尼、结构阻尼和摩擦阻尼的合成。其中占主导因素的结构阻尼机制至今还不清楚，难以量化;黏性阻尼可以通过水动力分析得到;摩擦阻尼在动力学分析中一般不考虑［4］。自升式钻井平台在作业工况下，船体脱离水面，所以主要考虑结构阻尼。

因为阻尼值目前还不可能数值化计算，所以一般都采用经验所得的临界阻尼值来代替，真实的临界阻尼值是随着频率的升高而增大的。ABS船级社推荐的恒定临界阻尼值为1.5%［5］，在比较分析了几家船级社的推荐值后，并根据以往的项目经验，本文采用的恒定阻尼值为3%。

2 仿真计算结果

对振动响应速度和加速度评价采用海洋结构物国际通用振动规范ISO6954(2000)。规范ISO6954对1～80 Hz频率范围内的振动进行评估，主要是由于人体各种组织的共振频率集中在1～80 Hz，人体对于该频率范围的环境振动的反应特别敏感。规范还引入了基于频率的加权系数，并在此基础上求所有频率下权重值的均方根值来评价船体振动，加权曲线见图2，不同区域振动限值见表2［6］。

振动响应关心的频率范围为1～80 Hz，因海洋平台结构复杂难以提取该频段范围内的所有特征模态，不宜采用模态叠加法进行求解，所以采用直接稳态动力学法进行全船振动响应求解，该方法比模态分析法有更高的精度。限于篇幅，仅给出几个舱室的速度响应图，见图3、4。

图2 ISO6954加速度及速度加权曲线

通过平台振动响应计算结果可以得出:①在Z方向的结构振动响应大于其他两个方向的振动响应，所以在考虑减振降噪时，重点关注如何降低Z方向的结构振动;②海洋钻井平台具有典型低频振动特性，频率响应结果在低频附近相对较大;③提取节点振动速度值进行全频率加权计算，得到1～80Hz全频率计权速度均方根值，与ISO-6954规范值进行比较，结果表明该平台振动情况良好，所关心区域均能够满足规范要求。

表2 由1～80 Hz全频率计权均方根值给出的船舶不同区域适居性评价准则

图3 餐厅测点17763

图4 升降控制室测点1658

3 试验测试结果及结论

为了验证振动预测的准确性及评价船舶的适居性，在模拟钻井工况下进行了局部结构振动测试，测量时在每个位置进行3个方向测量，并且持续测量时间至少是1min，在优势频率低于2Hz时，测量时间至少持续2 min。对采集的振动信号进行频率计权计算，得到实测计权振动速度有效值，计算结果与测量结果见表3。

表3 典型舱室节点计权振动速度有效值 mm/s

对比结果显示存在一定误差，原因可能有以下几方面:①在建立有限元模型时，对结构进行了一定的简化;②在调节模型重量分布时，采用质量平铺的方法，导致局部结构与实际结构有所差别;③主船体和桩腿之间的连接机制很复杂，实际边界条件处在简支和固支之间，难以准确地模拟;④大多数舱室的计算结果大于测试结果，是因为在仿真计算时没有考虑甲板敷料、浮动地板、舾装件等一些类似阻尼材料的影响。但总体来说，计算结果基本符合工程实际应用，对于早期的振动预测及控制具有一定的指导意义。

［1］殷玉梅.船舶振动建模方法研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

［2］姜 伟.自升式钻井平台横向振动特性研究［J］.中国海上油气，2007，19(4):272-276.

［3］王显正.船舶总振动特性研究［D］.大连:大连理工大学，2005.

［4］张新伟，陆利平，吴小康.400 000 DWT矿砂船的全船和局部振动研究［J］.船舶设计通讯，2011(S1):25-33.

［5］夏侯命胜.深水半潜式钻井平台振动及噪声分析研究［D］.北京:中国舰船研究院，2011.

［6］国际标准化组织.ISO 6954 Mechanical Vibration-Guidelines for the measurements，and evaluation of vibration with regard to habitability on passenger and merchant ships［S］.2000.